ＲＦＩＤ讀寫(xiě)器的設(shè)計(jì)

田　徑　儲(chǔ)海兵

摘 要：為了掌握RFID技術(shù)并應(yīng)用,介紹一個(gè)基于U2270B的125 kHz的射頻卡讀寫(xiě)器。它主要用軟件實(shí)現(xiàn)射頻信號(hào)的調(diào)制和解調(diào),進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了對(duì)Temic卡讀和寫(xiě)操作,且利用CH375芯片實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的USB通信及數(shù)據(jù)傳輸,及利用SD卡實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)及原始數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ),利用SD卡橋接芯片W86L388D實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的SD卡SD模式通信操作。該讀卡器在解決實(shí)際問(wèn)題時(shí)取得了很好的效果,相對(duì)于傳統(tǒng)條形碼識(shí)別有巨大優(yōu)勢(shì),且引入U(xiǎn)SB和SD技術(shù)。

關(guān)鍵詞：RFID；USB；SD；U2270B；CH375；W86L388D；Temic；EM4100

中圖分類(lèi)號(hào)：TN919 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1004-373X(2009)01-054-04

Design of RFID Reader-Writer

TIAN Jing,CHU Haibing

(College of Automation,Southeast University,Nanjing,210096,China)

Abstract：To master and apply the RFID technique,this paper designs a RFID reader-writer based on U2270B radio frequency card.It implements demodulation and modulation of radio signal mainly by software to realize the readout and writing process of Temic card,USB communication and data transmission by chip CH375 and the storage of data and database by SD Card.This method successfully solved identification problems.The key techniques and innovations of this paper include that RFID reader has more advantages than bar code reader.And it introduce USB technique and SD technique.

Keywords：RFID；USB；SD；U2270B；CH375；W86L388D；Temic；EM4100

0 引 言

射頻識(shí)別(Radio Frequency Identification,RFID)是利用感應(yīng)、電磁場(chǎng)或電磁波為傳輸手段,完成非接觸式雙向通信,獲取相關(guān)數(shù)據(jù)的一種自動(dòng)識(shí)別技術(shù)。射頻識(shí)別卡最大的優(yōu)點(diǎn)就在于非接觸,因此完成識(shí)別工作時(shí)無(wú)須人工干預(yù),適于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化且不易損壞,可識(shí)別高速運(yùn)動(dòng)物體并可同時(shí)識(shí)別多個(gè)射頻卡,操作快捷方便。目前,射頻識(shí)別技術(shù)己經(jīng)廣泛使用,準(zhǔn)備接替目前許多人工完成的工作程序。

RFID 技術(shù)是一個(gè)嶄新的技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域,它不僅涵蓋了射頻技術(shù),還包含了射頻技術(shù)、密碼學(xué)、通信原理和半導(dǎo)體集成電路技術(shù),是一個(gè)多學(xué)科綜合的新興學(xué)科。因此,對(duì)RFID技術(shù)的認(rèn)識(shí)和研究具有深遠(yuǎn)的理論意義。隨著21世紀(jì)數(shù)字化時(shí)代的到來(lái),基于遠(yuǎn)程信息化網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)和移動(dòng)商務(wù)的社會(huì)需求,RFID技術(shù)智能管理系統(tǒng)將在各個(gè)領(lǐng)域中發(fā)揮巨大的作用。RFID技術(shù)正在成為一個(gè)新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn),在全球范圍內(nèi)蔓延開(kāi)來(lái),研究開(kāi)發(fā)RFID技術(shù)有著巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)意義。

一個(gè)典型的RFID系統(tǒng)一般由RFID標(biāo)簽、讀寫(xiě)器以及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)等部分組成。其中RFID標(biāo)簽中一般保存有約定格式的編碼數(shù)據(jù),用以惟一標(biāo)識(shí)標(biāo)簽所附著的物體。與傳統(tǒng)的識(shí)別方式相比,RFID技術(shù)無(wú)需直接接觸、無(wú)需光學(xué)可視、無(wú)需人工干預(yù)即可完成信息輸入和處理,且操作方便快捷。能夠廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)、物流、交通、運(yùn)輸、醫(yī)療、防偽、跟蹤、設(shè)備和資產(chǎn)管理等需要收集和處理數(shù)據(jù)的應(yīng)用領(lǐng)域,并且認(rèn)為是條形碼標(biāo)簽的未來(lái)代替品。

RFID系統(tǒng)的工作原理框圖如圖1所示。

讀寫(xiě)器通過(guò)天線發(fā)送出一定頻率的射頻信號(hào)：當(dāng)RFID標(biāo)簽進(jìn)入讀寫(xiě)器工作場(chǎng)時(shí),其天線產(chǎn)生感應(yīng)電流,從而RFID標(biāo)簽獲得能量被激活并向讀寫(xiě)器發(fā)出自身編碼等信息；讀寫(xiě)器接收到來(lái)自標(biāo)簽的載波信號(hào),對(duì)接收的信號(hào)進(jìn)行解調(diào)和解碼后送至計(jì)算機(jī)主機(jī)進(jìn)行處理；計(jì)算機(jī)系統(tǒng)根據(jù)邏輯運(yùn)算判斷該標(biāo)簽的合法性,針對(duì)不同的設(shè)定做出相應(yīng)的處理和控制,發(fā)出指令信號(hào)；RFID標(biāo)簽的數(shù)據(jù)解調(diào)部分從接收到的射頻脈沖中解調(diào)出數(shù)據(jù)并送到控制邏輯,控制邏輯接收指令完成存儲(chǔ)、發(fā)送數(shù)據(jù)或其他操作。

RFID針對(duì)常用的接觸式識(shí)別系統(tǒng)的缺點(diǎn)加以改良,采用射頻信號(hào)以無(wú)線方式傳送數(shù)據(jù)資料,因此識(shí)別卡不必與讀卡機(jī)接觸就能讀寫(xiě)數(shù)據(jù)資料。

1 系統(tǒng)總體簡(jiǎn)介

本系統(tǒng)以AT89252單片機(jī)為控制核心,利用RFID讀寫(xiě)基站U2270B對(duì)Temic公司的射頻卡(本系統(tǒng)使用EM4100卡)進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)。在通信方面使用USB高速通信接口,采用南京沁恒公司的USB主控芯片CH375。數(shù)據(jù)庫(kù)的存儲(chǔ)管理利用SD卡。

系統(tǒng)總體框如圖2所示。

2 RFID讀寫(xiě)模塊

U2270B的載波頻率為100～150 kHz,其調(diào)制方式為曼徹斯特碼和雙相位碼。U2270B的電源供給可為 5 V的穩(wěn)壓電源或者是12 V的汽車(chē)蓄電池。它可以為RF場(chǎng)提供能量,其中在短距離運(yùn)用時(shí),外圍驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單。U2270B還具有信號(hào)微調(diào)能力,而且其讀寫(xiě)距離可達(dá)7～10 cm。U2270B 還具有電壓輸出功能可以給微處理器或其他外圍電路供電。

U2270B 具有省電模式和STANDBY 控制可選,所以設(shè)計(jì)基站電路時(shí)可以按照功能的不同要求,設(shè)計(jì)基站的外圍電路。具體電路圖如圖3所示。

本系統(tǒng)采用9 V電池供電,并通過(guò)STANDBY端進(jìn)行省電模式的控制。同時(shí)通過(guò)橋式二極管來(lái)增強(qiáng)讀寫(xiě)距離。

通過(guò)調(diào)整Rf引腳所接電阻的大小,可以將內(nèi)部振蕩頻率固定在150 kHz,然后通過(guò)天線驅(qū)動(dòng)器的放大作用,在天線附近形成150 kHz的射頻場(chǎng),當(dāng)射頻卡進(jìn)入該射頻場(chǎng)內(nèi)時(shí),由于電磁感應(yīng)的作用,在射頻卡的天線端會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì),該感應(yīng)電勢(shì)也是射頻卡的能量來(lái)源。

數(shù)據(jù)寫(xiě)入射頻卡采用場(chǎng)間隙方式,即由數(shù)據(jù)的“0”和“1”控制振蕩器的啟振和停振,并由天線產(chǎn)生帶有窄間歇的射頻場(chǎng),不同的場(chǎng)寬度分別代表數(shù)據(jù)“0”和“1”,這樣完成將基站發(fā)射的數(shù)據(jù)寫(xiě)入射頻卡的過(guò)程,對(duì)場(chǎng)的控制可通過(guò)控制芯片的第6腳(CFE端)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

由射頻卡返回的數(shù)據(jù)流可采用對(duì)射頻卡天線的負(fù)載調(diào)制方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。射頻卡的負(fù)載調(diào)制會(huì)在基站天線上產(chǎn)生微弱的調(diào)幅,這樣,通過(guò)二極管對(duì)基站天線電壓的解調(diào)即可回收射頻卡調(diào)制數(shù)據(jù)流。應(yīng)當(dāng)說(shuō)明,與U2270B配套的射頻卡返回的數(shù)據(jù)流采用的是曼徹斯特編碼形式。由于U2270B不能完成曼徹斯特編碼的解調(diào),因此解調(diào)工作必須由微處理器來(lái)完成,這也是U2270B 的不足之處。

3 射頻卡模塊

射頻卡選用的EM4100卡是由瑞士微電生產(chǎn)的一款用于只讀射頻卡信息傳輸?shù)募尚酒Ｉ漕l卡由IC芯片、感應(yīng)線圈組成,COIL1與COIL2為感應(yīng)線圈接口。全波整流電路、C sup可以將線圈感應(yīng)產(chǎn)生的能量保存供給芯片作為工作電源；時(shí)鐘選取電路將篩選頻率125 kHz的載波作為時(shí)序發(fā)生電路的基準(zhǔn)時(shí)鐘源；內(nèi)存中64位數(shù)據(jù)依次串行輸出,通過(guò)編碼模塊輸出曼徹斯特碼；最后信號(hào)通過(guò)調(diào)制電路再由感應(yīng)線圈發(fā)射出去。圖4為 EM4001芯片內(nèi)部功能圖。

EM4100全部的數(shù)據(jù)位為64位,它包含 9個(gè)開(kāi)始位(其值均為‘1)、40個(gè)數(shù)據(jù)位(8個(gè)廠商信息位 +32個(gè)數(shù)據(jù)位)、14個(gè)行列奇校驗(yàn)位(10個(gè)行校驗(yàn) +4個(gè)列校驗(yàn))和1個(gè)結(jié)束停止位。EM4100在向讀卡機(jī)或PC機(jī)傳送信息時(shí),首先傳送9個(gè)開(kāi)始位,接著傳送8個(gè)廠商信息或版本代碼,然后再傳送32個(gè)數(shù)據(jù)位。其中 15個(gè)校驗(yàn)以及結(jié)束位用于跟蹤包含廠商信息在內(nèi)的40位數(shù)據(jù)。當(dāng)EM4001上電初始化后,便依次將這64位數(shù)據(jù)反復(fù)輸出,直到卡片離開(kāi)基站讀寫(xiě)器失電為止。圖5為EM4100芯片內(nèi)部數(shù)據(jù)格式。數(shù)據(jù)信息采用曼徹斯特編碼,然后調(diào)制到載波上,影響感應(yīng)線圈工作。數(shù)據(jù)“0”對(duì)應(yīng)著電平下跳,數(shù)據(jù)“1”對(duì)應(yīng)著電平上跳。

4 USB模塊

在工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)研究的各行各業(yè)中,常常利用PC機(jī)或工控機(jī)對(duì)各種數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。現(xiàn)在常用的采集方式是通過(guò)數(shù)據(jù)采集板卡,常用的有A/D卡以及RS 232,RS 485等總線板卡。采用板卡不僅安裝麻煩、易受機(jī)箱內(nèi)環(huán)境的干擾,而且由于受計(jì)算機(jī)插槽數(shù)量和地址、中斷資源的限制,不可能掛接很多設(shè)備。而通用串行總線(Universal Serial Bus,USB)的出現(xiàn),很好地解決了以上這些沖突,很容易就能實(shí)現(xiàn)低成本、高可靠性、多點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集。

在本系統(tǒng)中,USB除了負(fù)責(zé)總線的數(shù)據(jù)采集外,還有一個(gè)很重要的作用,就是充當(dāng)一個(gè)SD卡讀寫(xiě)器,方便PC機(jī)對(duì)SD卡的直接操作。這樣可以在系統(tǒng)初始時(shí)方便地將數(shù)據(jù)庫(kù)導(dǎo)入到讀寫(xiě)器中,在系統(tǒng)停運(yùn)時(shí)將數(shù)據(jù)再上傳給PC機(jī)。

USB接口芯片種類(lèi)繁多,其中具有代表性的有Cypress公司的SL811HS,PHILIPS公司的ISPll61A、PDIUSBD12,National公司的USBN9602,國(guó)內(nèi)則以沁恒公司的CH75系列為代表。這些芯片各有優(yōu)點(diǎn),適合不同的場(chǎng)合。如ISPll61A支持USB協(xié)議2.0,而SL811HS可支持多種USB設(shè)備,CH375則將USB協(xié)議、MASS-STORAGE協(xié)議、SCSI協(xié)議都集成到了片內(nèi),可以直接對(duì)U盤(pán)的扇區(qū)進(jìn)行讀寫(xiě),另外廠家還提供U盤(pán)文件系統(tǒng)操作庫(kù),這使得面向U盤(pán)等設(shè)備的開(kāi)發(fā)變得更便捷。

考慮到操作的簡(jiǎn)潔性我們選擇CH375。CH375是一種通用的USB總線接口芯片,支持USB-HOST方式和USB-DEVICE/SLAVE方式。在本地端,CH375具有8位數(shù)據(jù)總線和讀、寫(xiě)、片選控制線以及中斷輸出,可以方便地掛接到單片機(jī)等控制器的系統(tǒng)總線上。

CH375芯片提供了兩種操作方式,分別是內(nèi)置固件方式和外置固件方式。內(nèi)置固件方式模式下屏蔽了相關(guān)的USB協(xié)議,自動(dòng)完成標(biāo)準(zhǔn)的USB枚舉配置過(guò)程,完全不需要本地端控制器的任何處理,簡(jiǎn)化了單片機(jī)的固件編程,但是只能使用固定的端點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸；外置固件雖然也使用端點(diǎn)0作為默認(rèn)端點(diǎn),但是可以根據(jù)自己的需要更靈活地定制需求,可以使用端點(diǎn)1作為輔助端點(diǎn)。內(nèi)置固件在開(kāi)發(fā)上更簡(jiǎn)單,外置固件則更靈活。

CH375的接線圖如圖6所示。

5 SD卡控制模塊

SD卡有兩種總線協(xié)議,SD協(xié)議和SPI協(xié)議。現(xiàn)在絕大部分微控制器都集成SPI接口,所以利用這種方式與SD卡通信相對(duì)簡(jiǎn)單方便,但SPI協(xié)議在數(shù)據(jù)交換時(shí)只允許1位數(shù)據(jù)串行傳輸,所以速度受到限制。在SD協(xié)議下,允許強(qiáng)大的1線到4線數(shù)據(jù)傳輸,這樣就提高了傳輸速度。但SD總線時(shí)序要求嚴(yán)格,如果用軟件模擬不僅復(fù)雜繁瑣,而且可靠性也不高,W86L388D支持SD方式的4線數(shù)據(jù)傳輸,并且根據(jù)所收到的命令能自動(dòng)產(chǎn)生相應(yīng)的SD時(shí)序,從而方便用戶(hù)的使用,提高了系統(tǒng)的性能。

W86L388D為臺(tái)灣華邦公司的SD卡橋接芯片。W86L388D有8位數(shù)據(jù)與16位數(shù)據(jù)寬度可以選擇,并且有專(zhuān)門(mén)的端口進(jìn)行SD卡的檢測(cè)與讀寫(xiě)保護(hù)。

W86L388D的工作電壓為3.3 V,所以在與89S52單片機(jī)進(jìn)行通信的時(shí)候必須經(jīng)過(guò)一個(gè)470 Ω的電阻進(jìn)行分壓處理。W86L388D的電路圖如圖7所示。

6 結(jié) 語(yǔ)

射頻識(shí)別技術(shù)最大的優(yōu)點(diǎn)就在于非接觸,因此完成識(shí)別工作時(shí)無(wú)須人工干預(yù),適于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化且不易損壞,可識(shí)別高速運(yùn)動(dòng)物體并可同時(shí)識(shí)別多個(gè)射頻卡,操作快捷方便。所以,目前己經(jīng)廣泛使用,準(zhǔn)備接替許多人工完成的工作程序。

讀卡器的設(shè)計(jì)主要用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)射頻信號(hào)的調(diào)制和解調(diào),以實(shí)現(xiàn)對(duì)Temic卡片的讀和寫(xiě)操作。利用CH375芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的USB通信及數(shù)據(jù)的傳輸,利用SD卡實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)及原始數(shù)據(jù)庫(kù)的存儲(chǔ),同時(shí)利用SD卡橋接芯片W86L388D來(lái)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單便捷的SD卡SD模式的通信操作。

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